CN103528927A - 一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法及装置，主要是利用液压加压方式近似模拟岩石在地层中所受的围压及井筒液注压力，通过驱替清水或钻井液饱和岩心的方式模拟井筒中钻井液浸入岩石的过程，利用激光位移传感器测量岩心水化前后的轴向应变，水化前后的轴向高度差即为岩心水化膨胀后的变形量。

Description

一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法及装置，可在近似模拟地层压力环境下测试井壁处泥岩水化膨胀应变。
背景技术
泥岩段井壁失稳是造成油田钻井过程中各种井下事故的主要原因之一。
在石油工业钻井工程中，超过一半的钻遇地层属于泥岩或者泥质含量较高的岩性。泥岩当中含有大量的粘土矿物，包括伊利石、蒙脱石、伊/蒙混层矿物、绿泥石等。其中，蒙脱石和伊/蒙混层矿物是主要的水化膨胀类粘土矿物，其水化机理主要包括化学势差水化、渗透水化以及裂缝发育泥岩段的毛细管作用造成的水化。
泥岩水化对钻井工程主要将造成以下几个方面的危害：1、井径缩径，泥岩水化后将引起井壁处泥岩水化膨胀，由于井壁向地层一侧受到围岩约束，对于无限大地层而言这种约束近似于刚性约束，因此井壁处泥岩水化膨胀后只能向井筒一侧扩张，从而造成井径缩径，井径缩径将引起钻井工程起下钻遇阻遇卡，并由此引起一系列的井下事故；2、井壁垮塌，对于水化膨胀强烈的泥岩层段，泥岩水化膨胀是造成井壁掉块或垮塌的主要原因，井壁垮塌将引起钻具填埋、钻头泥包以及后期固井质量下降等一系列的井下复杂事故。
现在对于泥岩水化膨胀的实验方法比较单一，主要是采用室内环境条件下的接触式位移传感器测量泥岩水化膨胀应变，并未考虑井底压力环境（包括钻井液液柱压力、地层孔隙压力以及横向围压）对于泥岩水化的影响，并且接触式位移传感器和岩石表面接触时会对岩石表面造成一定的损坏，影响测量结果。因此，实验结果误差较大，不能有效指导工程实践。
激光位移传感器是一种非接触式测距传感器，主要通过向被测物体表面发射光线并接收反射光线来测量物表面各点的高度值。比起接触式位移传感器，不仅测量精度高，且避免了对被测物体表面的损害。现有的激光位移传感器测量条件的局限性越来越小，理论和实验都表明：由于激光位移传感器测量物体表面高度时发射和接受的反射光线都是垂直于物体表面，因此，既使在激光位移传感器和被测物体表面之间隔有透明物体也并不影响测量效果，因为光线在透明物体中不存在折射现象且传感器能很好地捕捉透明物体后非透明物体反射回的光线。
应当进一步改进测试井壁处泥岩的水化膨胀应变的方法和装置，使测试结果更加接近真实情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法及装置，利用液压加压方式 开近似模拟井筒液柱压力及地层中岩石所受的围压，利用激光位移传感器测量泥岩水化膨胀后所引起的应变。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法，主要是利用液压加压方式近似模拟岩石在地层中所受的围压及井筒液注压力，通过驱替清水或钻井液饱和岩心的方式模拟井筒中钻井液浸入岩石的过程，利用激光位移传感器测量岩心水化前后的轴向应变；将岩心放入橡胶套，加载围压后，首先用激光位移传感器测量岩心水化前端面高度，再驱替清水或钻井液饱和岩心，最后用激光位移传感器再次测量岩心端面高度，两次测得的高度差即为岩心水化膨胀后的变形量。
基于上述方法测量井壁泥岩水化膨胀应变的装置，包括岩心夹持器、测量基座、计算机、通讯电缆、激光传感器、导轨；其中，岩心夹持器包括端盖螺钉、端盖、第一螺钉，第一压力接端、橡胶套、夹持器钢壁、第二压力接端、第二螺钉、第三螺钉、第三压力接端、密封胶圈；其特征在于：岩心夹持器安装在测量基座上，测量基座上有导轨，激光传感器安装在导轨上，激光传感器和计算机通过通讯电缆连接；端盖和夹持器钢壁通过端盖螺钉连接，并通过橡胶套密封，端盖螺钉设置有3—8个；端盖侧面设置有第一压力接端，第一压力接端通过第一螺钉与端盖连接；夹持器钢壁侧面设置有第二压力接端，第二压力接端通过第二螺钉与夹持器钢壁连接，并且第二压力接端和夹持器钢壁之间通过一个密封胶圈实现密封；夹持器钢壁底部设置有第三压力接端，第三压力接端通过第三螺钉与夹持器钢壁连接；端盖和岩心之间的中空部份形成第一压力腔，橡胶套和夹持器钢壁中间的环空部份形成第二压力腔。
端盖的制作材料是钢化玻璃，具有很好的硬度和良好的透明度。
激光传感器是一种线光源激光测距传感器，用于测量岩心上端面各点的高度，该激光传感器光源线长度大于岩心的直径，并且如果在该激光传感器和被测物体表面之间隔有透明物体，并不影响测量效果。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的岩心夹持器的剖视图。
图3为岩心夹持器的右视图。
图4为岩心夹持器的俯视图。
图5为第二压力接端处的局部放大视图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明。
如图1至图5所示，一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的装置，包括岩心夹持器1、测量基座2、计算机3、通讯电缆4、激光传感器5、导轨6；其中，岩心夹持器1包括端盖螺钉7、端盖8、第一螺钉10，第一压力接端11、橡胶套12、夹持器钢壁13、第二压力接端14、第二螺钉15、第三螺钉18、第三压力接端19、密封胶圈20；岩心夹持器1中夹持有岩心17。其特征在于：岩心夹持器1安装在测量基座2上，测量基座2上有导轨6，激光传感器5安装在导轨6上且可以在导轨6上移动，激光传感器5和计算机3通过通讯电缆4连接；端盖8和夹持器钢壁13通过端盖螺钉7连接，并通过橡胶套12密封，端盖螺钉7设置有3—8个；端盖8侧面设置有第一压力接端11，第一压力接端11通过第一螺钉10与端盖8连接；夹持器钢壁13侧面设置有第二压力接端14，第二压力接端14通过第二螺钉15与夹持器钢壁13连接，并且第二压力接端14和夹持器钢壁13之间通过一个密封胶圈20实现密封；夹持器钢壁13底部设置有第三压力接端19，第三压力接端19通过第三螺钉18与夹持器钢壁13连接；端盖8和岩心17之间的中空部份形成第一压力腔9，橡胶套12和夹持器钢壁13中间的环空部份形成第二压力腔16。
端盖8的制作材料是钢化玻璃，具有很好的硬度和良好的透明度。
激光传感器5是一种线光源激光测距传感器，用于测量岩心17上端面各点的高度，激光传感器5光源线长度大于岩心17的直径，并且如果在激光传感器5和岩心17上端面之间隔有透明物体，并不影响测量效果。
端盖螺钉7设置有3—8个，具体应以能较好实现密封为宜。
本发明装置需和三个液压泵配套使用，但本发明装置的部件并不包括液压泵，附图中也未出示液压泵。
第一压力接端11和一个液压泵连接，以此向第一压力腔9中泵入透明液体，使第一压力腔9中液体压力值近似等于岩心17在井筒壁面所受的井筒液柱压力。
第二压力接端14和另外一个液压泵连接，以此向第二压力腔16泵中液体，使第二压力腔16中液体压力值近似等于岩心17在地层中所受的围压。
第三压力接端19和第三个液压泵连接并向岩心17中驱替液体使液体饱和岩心17，以此模拟岩石在井筒附近受钻井液浸入的过程。
如图2、图5所示，第二压力接端14和夹持器钢壁13之通过一个密封胶圈20实现密封，第一压力接端11和夹持器钢壁13之间也安装有这样一个密封胶圈。
如图1所示，一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法，首先将岩心17放入橡胶套12中，向第二压力腔16中泵入液体，使第二压力腔16中液体压力尽可能接近岩心17在地层中所受围压，待橡胶套12夹紧岩心17后，用激光传感器5测量岩心17上表面各点的高度值并记录在计算机3中，再通过第三压力接端19从下往上向岩心中驱替液体，此时驱替压力应小于第二压力腔16中液体压力，液体被驱替至岩心17的上端面后停止驱替，再通过第一压力接端11向第一压力腔9中泵入透明液体，使第一压力腔9中液体压力值近似等于岩心17在井筒壁面所受的井筒液柱压力，并且第一压力腔9中液体压力值应小于第二压力腔16中液体压力。待压力平稳后，再次测量岩心17上表面各点的高度值并记录在计算机3中，最后通过分析两次测量的数据得出岩心17上表面各点水化前后的高度变化。
激光传感器5扫描出的区域实际为一个包含岩心17上端表面在内的长方形区域，为了更方便地从这个长方形区域中将岩心17上端表面各点筛选出来，放置岩心17时，应使岩心17上端表面略低于橡胶套12的上端面，这样的一个高度差使得在扫描区域各点中，岩心17上端面各点的高度值和非岩心表面各点的高度值有一个明显的差值，便于筛选。
在装置所能承受的压力范围内，尽可能使第一压力腔9和第二压力腔16中的液体压力值接近岩心17在地层中所承受的真实压力值。
通过第三压力接端19驱替入岩心17中的液体可以是清水或钻井液，具体视岩心17的渗透率而定，若岩心17过于致密则宜用清水，并且岩心17的渗透不同，驱替液体通过岩心17所需的时间亦有差别。
激光传感器5扫描出的每个点包括平面坐标（X轴和Y轴）和高度坐标（Z轴）三个数据，为了便于分析岩心17上端面各点水化前后的的高度变化值，两次扫描应是基于同一坐标系，如此一来，两次扫描的数据中平面坐标（X轴和Y轴）相同的两点可近似看作对应于岩心17表面上同一点，获得岩心17水化前后上端面各点的高度（Z轴）值后，对应平面坐标将两次数据相减便得到各点前后的高度差，以此便可算出各点水化后的应变值。

Claims (2)

1.一种测量井壁泥岩水化膨胀应变的方法，主要是利用液压加压方式近似模拟岩石在地层中所受的围压及井筒液注压力，通过驱替清水或钻井液饱和岩心的方式模拟井筒中钻井液浸入岩石的过程，利用激光位移传感器测量岩心水化前后的轴向应变；将岩心放入橡胶套，加载围压后，首先用激光位移传感器测量岩心水化前端面高度，再驱替清水或钻井液饱和岩心，最后用激光位移传感器再次测量岩心端面高度，两次测得的高度差即为岩心水化膨胀后的变形量。
2.基于上述方法测量井壁泥岩水化膨胀应变的装置，包括岩心夹持器(1)、测量基座(2)、计算机(3)、通讯电缆(4)、激光传感器(5)、导轨(6)；其中，岩心夹持器(1)包括端盖螺钉(7)、端盖(8)、第一螺钉(10)，第一压力接端(11)、橡胶套(12)、夹持器钢壁(13)、第二压力接端(14)、第二螺钉(15)、第三螺钉(18)、第三压力接端(19)、密封胶圈(20)；岩心夹持器(1)中夹持有岩心(17)；其特征在于：岩心夹持器(1)安装在测量基座(2)上，测量基座(2)上有导轨(6)，激光传感器(5)安装在导轨(6)上且可以在导轨(6)上移动，激光传感器(5)和计算机(3)通过通讯电缆(4)连接；端盖(8)和夹持器钢壁(13)通过端盖螺钉(7)连接，并通过橡胶套(12)密封，端盖螺钉(7)设置有3—8个；端盖(8)侧面设置有第一压力接端(11)，第一压力接端(11)通过第一螺钉(10)与端盖(8)连接；夹持器钢壁(13)侧面设置有第二压力接端(14)，第二压力接端(14)通过第二螺钉(15)与夹持器钢壁(13)连接，并且第二压力接端(14)和夹持器钢壁(13)之间通过一个密封胶圈(20)实现密封；夹持器钢壁(13)底部设置有第三压力接端(19)，第三压力接端(19)通过第三螺钉(18)与夹持器钢壁(13)连接；端盖(8)和岩心(17)之间的中空部份形成第一压力腔(9)，橡胶套(12)和夹持器钢壁(13)中间的环空部份形成第二压力腔(16)。
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